第一个人类致癌DNA病毒——乳头瘤病毒
今天介绍的病毒是乳头瘤病毒——她是第一个人类致癌DNA病毒
简介
乳头瘤病毒是一个古老的非包膜DNA病毒分类学家族，统称为乳头瘤病毒。已经确定了数百种乳头瘤病毒，它感染所有哺乳动物，以及鸟类、蛇、龟鳖和鱼。根据类型的不同，大多数乳头瘤病毒的感染是无症状的——例如，大多数乙型乳头瘤病毒/Betapapillomavirus，或者会引起小的良性肿瘤，称为乳头瘤或疣——例如HPV-1、HPV-6或HPV-11。但是，由某些类型引起的乳头状瘤，例如HPV-16和HPV-18，有癌变的危险。
乳头瘤病毒通常被认为与宿主和组织高度相关，被认为极少在种间传播。乳头瘤病毒仅在体表组织的基底层中复制。所有已知的乳头瘤病毒类型都感染特定的体表，通常是**器，*门，嘴或气道的皮肤或粘膜上皮。例如，HPV-1倾向于感染脚底，HPV-2倾向于感染手掌，在这里它们可能会引起疣。此外，还描述了血液和外周血单核细胞中存在HPV-DNA。
乳头瘤病毒最早于20世纪初被发现，当时表明皮肤疣或乳头状瘤可通过可过滤的传染原在人与人之间传播。 1935年，弗朗西斯·佩顿·鲁斯（Francis Peyton Rous）曾证明鸡中存在致癌肉瘤病毒，后来又证明乳头瘤病毒可能在受感染的兔子中引起皮肤癌。这是病毒可引起哺乳动物癌症的第一个证明。
病毒分类
截止到2019年，尽管ICTV正式认可了较小的乳头瘤病毒，但已识别出100多种，分为53属。所有的乳头瘤病毒（PVs）具有相似的基因组组织，并且任何一对PVs至少包含五个同源基因，尽管核苷酸序列的差异可能超过50％。允许比较同源性的系统发生算法导致系统树具有相似的拓扑结构，而与所分析的基因无关。
系统发育研究强烈表明，PV通常会与其哺乳动物和鸟类宿主物种一起进化，不会改变宿主物种，不会重组，并且已经维持其基本基因组组织超过一亿年。这些序列比较为PV分类法奠定了基础，PV分类法现已得到国际病毒分类学委员会的正式认可。所有PV均形成乳头瘤病毒(Papillomavirus)，它们不同于多瘤病毒(Polyomavirus)，因此取消了术语Papovavirus。 PV的系统树的主要分支被视为属，通过希腊字母标识。次要分支被认为是物种，并且在基因组学上将PV类型统一在一起，而没有表现出已知的生物学差异。这种新的分类系统不会影响PV“类型”及其具有较小基因组差异的独立分离株（称为“亚型”和“变体”）的传统鉴定和表征，所有这些分类均低于“物种”水平。
鉴于乳头瘤病毒-多瘤病毒重组体的存在，可能需要对该分类进行修订。还描述了其他种类。已从鱼类中分离出金枪鱼乳头瘤病毒1。
人乳头瘤病毒
已经对170多种人类乳头瘤病毒类型进行了完全测序。它们已分为5个属：α乳头瘤病毒，β乳头瘤病毒，γ乳头瘤病毒，μ乳头瘤病毒和ν乳头瘤病毒。 已经确定至少有200种其他病毒正在等待测序和分类。
动物乳头瘤病毒
单个乳头瘤病毒类型倾向于高度适应单个动物物种中的复制。在一项研究中，研究人员擦拭了多种动物园动物的前额皮肤，并使用PCR扩增了可能存在的任何乳头瘤病毒DNA。尽管在这项研究中鉴定了多种乳头瘤病毒序列，但作者发现种间传播的证据很少。发现一名动物园管理员对黑猩猩特有的乳头瘤病毒序列暂时呈阳性。然而，作者指出，黑猩猩特有的乳头瘤病毒序列可能是动物园管理员皮肤表面污染的结果，而不是生产性感染。
棉尾兔乳头瘤病毒（CRPV）可以在其本地宿主北美棉尾兔中引起突出的疣。这些号角状的疣可能是都市传说中美国野兔哈布拉（Jackalope）和欧洲狼人（Wolpertinger）的原始依据。欧洲家兔（直齿兔属）可以在实验室环境中短暂感染CRPV。但是，由于欧洲家兔不产生传染性子代病毒，因此它们被视为CRPV的偶然或“死胡同”宿主。
牛乳头瘤病毒（BPV）1型也有种间传播的报道。BPV-1在其天然宿主（牛）中诱发大的皮肤皮肤疣。马的BPV-1感染是该病毒的偶然宿主，可导致良性肿瘤（称为结节病）的发展。 BPV-1的农业意义促使人们成功开发出针对该病毒的疫苗。
一些报告已经在较小的啮齿动物中发现了乳头瘤病毒，例如叙利亚仓鼠、非洲犬鼠和欧亚仓鼠。但是，尚无已知能够感染实验室小鼠的乳头瘤病毒。缺乏针对乳头瘤病毒感染的易于治疗的小鼠模型已成为实验室研究乳头瘤病毒的主要限制。
已知有四种乳头瘤病毒可感染鸟类：Fringilla coelebs乳头瘤病毒1、Francolaus leucoscepus乳头瘤病毒1、Psittacus erithacus乳头瘤病毒1和Pygoscelis adeliae乳头瘤病毒1。所有这些物种都有一个功能未知的基因（E9），表明有共同的起源。
病毒进化
与许多其他类型的病毒相比，乳头瘤病毒的进化被认为是缓慢的，但目前尚无实验方法。这可能是因为乳头瘤病毒基因组由遗传稳定的双链DNA组成，该DNA由宿主细胞的DNA复制机制以高保真度复制。
据信，乳头瘤病毒通常与特定宿主动物物种共同进化多年，尽管有强有力的证据反对共同进化的假设。在一个特别迅速的例子中，HPV-16随着人口在全球范围内的发展而略有发展，现在在不同的地理区域有所不同，其方式可能反映了人类迁徙的历史。
其他HPV类型（例如HPV-13）在不同人群中的变化相对较小。实际上，HPV-13的序列与倭黑猩猩的乳头瘤病毒非常相似（也称为侏儒黑猩猩）。目前尚不清楚这种相似性是由于物种之间的最近传播，还是由于人类和倭黑猩猩分离后的六百万年间，HPV-13的变化很小，据估计，这组病毒的最新祖先存在于4.24亿年前。
有五个主要感染人类的属（Alpha，Beta，Gamma，Mu和Nu）。这些属的最新共同祖先是在4970万年前到5850万年前进化的。据估计，Gammapapillomavirus属的最新祖先在4530万年前和6750万年前之间演化。
结构
乳头瘤病毒是无包膜的，这意味着病毒的外壳或衣壳没有被脂膜覆盖。一个单独的病毒蛋白，称为L1，对形成由72个星形衣壳蛋白组成的55-60纳米衣壳是必要的，并且是足够的。
像大多数病毒一样，衣壳在几何上是规则的，并呈二十面体对称。由L1组成的自组装病毒样颗粒是一组成功的预防性HPV疫苗的基础，该疫苗旨在引发可预防初始HPV感染的病毒中和抗体。因此，乳头瘤病毒在环境中是稳定的。
乳头瘤病毒基因组是双链环状DNA分子，长度约8000个碱基对。它与细胞组蛋白一起包装在L1壳中，后者可包裹和浓缩DNA。
乳头瘤病毒衣壳还含有一种称为L2的病毒蛋白，这种蛋白的含量较低。尽管还不清楚L2在病毒体中的排列方式，但已知它具有多种重要功能，包括促进将病毒基因组包装到新生的病毒体中，以及使病毒感染性进入新的宿主细胞。 L2作为更广泛保护性HPV疫苗的可能靶标而受到关注。
尽管许多病毒都存在72衣壳体，但乳头瘤病毒几乎是独一无二的，因为它们的衣壳都是由蛋白质之间的五聚体相互作用构成的。其他二十面体病毒仅存在12个五聚体，任何衣壳异构体将与六聚体蛋白发生相互作用。因此，乳头瘤病毒是“准等价理论”的第一个已知例外，该理论实质上认为病毒衣壳类似于Goldberg多面体。实际上，乳头瘤病毒上的蛋白质布局与任何已知的球形多面体都不相符，因此其结构是二十多年来的一个悬而未决的问题。Reidun Twarock最终在2003年回答了这个问题，使用的模型基于Penrose平铺，其中在二聚体中用两种蛋白质填补菱形，在三聚体中用三种蛋白质填补风筝形。
多瘤病毒也是如此，它们的衣壳也是由蛋白质之间的五聚体相互作用构成的。
组织特异性
乳头瘤病毒仅在角质形成细胞中复制。 角质形成细胞形成皮肤的最外层，以及一些粘膜表面，例如脸颊内部或*道壁。 这些表面组织称为分层的鳞状上皮，由扁平细胞的堆叠层组成。 细胞层是通过称为细胞分化的过程形成的，在该过程中，角质形成细胞逐渐变得专门化，最终形成坚硬的交联表面，从而防止水分流失并充当病原体的屏障。 在表层补充的分化程度较低的角质形成干细胞被认为是生产性乳头瘤病毒感染的最初目标。 病毒生命周期中的后续步骤严格取决于角质形成细胞分化的过程。 最终导致乳头瘤病毒只能在体表组织中复制。
生活周期
传染性进入
乳头瘤病毒通过皮肤或粘膜表面的小伤口（称为微伤）进入角质形成细胞干细胞。 L1和硫酸糖在细胞表面的相互作用促进了病毒的初始附着。然后，该病毒能够通过与特定受体的相互作用从细胞表面进入内部，可能是通过α-6β-4整联蛋白，并被运输到被膜包裹的囊泡，称为内体。衣壳蛋白L2通过阳离子细胞穿透肽破坏内体的膜，使病毒基因组与L2一起逃逸并运输到细胞核。
病毒蛋白持久性表达
成功感染角质形成细胞后，病毒会表达E1和E2蛋白，这些蛋白可复制并保持病毒DNA为环状附加体。病毒致癌基因E6和E7通过灭活肿瘤抑制蛋白p53和pRb促进细胞生长。上皮基底层的角质形成细胞干细胞可以维持乳头瘤病毒基因组数十年。
后代病毒的产生
病毒晚期基因L1和L2的表达仅限于分化皮肤或粘膜表面最外层的角质形成细胞。 L1和L2表达的增加通常与病毒基因组拷贝数的急剧增加相关。由于分层鳞状上皮细胞的外层受到免疫系统细胞的相对有限的监视，因此认为这种对病毒晚期基因表达的限制代表了一种免疫逃避形式。
新的传染性子代病毒被组装在细胞核中。乳头瘤病毒已经进化出一种将病毒体释放到环境中的机制。其他种类的非包膜动物病毒利用主动裂解过程杀死宿主细胞，从而释放后代病毒颗粒。通常，这种裂解过程与发炎有关，发炎可能会触发针对病毒的免疫攻击。乳头瘤病毒利用脱屑作为一种隐秘的非炎性释放机制。
病毒癌变
尽管某些类型的乳头瘤病毒可以在它们所居住的上皮组织中引起癌症，但癌症并不是典型的感染结果。 乳头瘤病毒引起的癌症的发展通常发生在许多年的过程中。 乳头瘤病毒与**癌、**癌和口腔癌的发展有关。还已注意到神经源性膀胱患者与外阴癌和尿路上皮癌鳞状分化有关。有致癌的乳头瘤病毒基因组，该基因组编码两个小蛋白，称为E6和E7，它们模仿原癌基因，抑制抑癌基因表达。 它们的工作方式是刺激细胞非自然生长并阻止其自然防御。 它们还作用于许多控制增殖和凋亡的信号蛋白。
实验室研究
乳头瘤病毒的生命周期严格要求角质形成细胞分化这一事实对实验室中的乳头瘤病毒研究构成了实质性的障碍，因为它已经排除了使用常规细胞系繁殖病毒的可能性。由于可以从病毒在牛身上诱发的大疣中提取出具有感染力的BPV-1病毒体，因此，多年来它一直是一种主要的模型乳头瘤病毒。 CRPV(棉尾兔乳头瘤病毒)、兔口腔乳头瘤病毒（ROPV）和犬口腔乳头瘤病毒（COPV）也已广泛用于实验室研究。研究人员一发现这些病毒会引起癌症，便会共同努力寻找疫苗。目前，最有效的解决方法是模仿由L1蛋白组成但缺乏DNA的病毒。基本上，我们的免疫系统可以抵抗感染，但如果这些感染不引起疾病，则可以用作疫苗。 PDB 6bt3显示了抗体表面如何攻击病毒表面以使其失效。
一些性传播的HPV类型已经使用小鼠“异种移植”系统进行了繁殖，其中将HPV感染的人类细胞植入免疫缺陷小鼠中。最近，一些小组已经成功地从人宫颈病变中分离出感染性HPV16。然而，使用该技术分离感染性病毒体是艰巨的，并且感染性病毒的产率非常低。
角质形成细胞的分化可以通过将培养的角质形成细胞暴露于空气/液体界面来在体外模拟。这种“筏式培养”系统适应乳头瘤病毒的研究是病毒生命周期体外研究的重大突破。然而，筏式养殖系统相对繁琐，并且感染性HPV的产量可能较低。
基于酵母的系统的开发允许稳定的游离型HPV复制，为研究HPV生命周期的多个方面提供了一种方便，快速且廉价的方法（Angeletti 2002）。例如，可以容易地在酵母中重建依赖E2的转录，基因组扩增和全长HPV-DNA的有效衣壳化（Angeletti 2005）。
最近，已经开发了用于产生携带报告基因的HPV假病毒的瞬时高产方法。尽管伪病毒不适合研究病毒生命周期的某些方面，但初步研究表明，伪病毒的结构和初始感染性进入细胞在许多方面可能与真实的乳头瘤病毒相似。
人乳头瘤病毒与感染的细胞表面的肝素分子结合。研究表明，分离的L1凯普莱斯晶体具有肝素链，可被病毒表面的赖氨酸线凹槽识别。同样，带有抗体的人也表明它们可以阻止这种识别。
基因组全析
乳头瘤病毒基因组分为一个早期区域（E），该区域编码在宿主细胞初次感染后立即表达的六个开放阅读框（ORF）（E1，E2，E4，E5，E6和E7）和编码主要衣壳蛋白L1和次要衣壳蛋白L2的晚期区域（L）。所有病毒ORF都编码在一条DNA链上，这是乳头瘤病毒和多瘤病毒之间的巨大差异，因为多瘤病毒通过两条DNA链的双向转录表达其早期和晚期基因。这种差异是建立共识的主要因素，尽管乳头瘤病毒和多瘤病毒的结构具有惊人的相似性，但它们可能从未共享同一祖先。
感染宿主细胞后，HPV-16早期启动子被激活，并转录包含所有六个早期ORF的多顺反子一级RNA。该多顺反子RNA包含三个外显子和两个内含子，并经过活性RNA剪接产生多种mRNA亚型。剪接的同工型RNA之一E6*I作为E7 mRNA来翻译E7癌蛋白。相比之下，E6ORF内含子必须保持完整而不进行剪接，这对于E6癌蛋白的翻译是必不可少的。但是，病毒早期转录受病毒E2调节，而高E2水平会抑制转录。 HPV基因组通过破坏E2ORF而整合到宿主基因组中，从而阻止E2对E6和E7的阻遏。因此，病毒基因组整合入宿主DNA基因组会增加E6和E7表达，从而促进细胞增殖和恶性肿瘤的机会。
病毒早期区域中的主要病毒晚期启动子仅在分化的细胞中才有活性，并且其活性可以通过病毒DNA复制得到高度增强。晚期转录物也是多顺反子RNA，其包含两个内含子和三个外显子。此晚期转录物的替代性RNA剪接对于L1和L2表达至关重要，并且可以由RNA顺式元件和宿主剪接因子调控。
HPV-16基因全析
E6
E6是一个151个氨基酸的肽段，其中包含具有（T / S）-（X）-（V / I）-COOH共有序列的1型基序。它还具有两个锌指基序。
E6特别令人感兴趣，因为它似乎在细胞中具有多种作用并与许多其他蛋白质相互作用。但是，它的主要作用是介导p53（一种主要的肿瘤抑制蛋白）的降解，从而降低细胞对DNA损伤的反应能力。
E6还被证明可靶向其他细胞蛋白，从而改变了几种代谢途径。一个这样的靶标是NFX1-91，它通常抑制端粒酶的产生，端粒酶是一种允许细胞无限次数分裂的蛋白质。当NFX1-91被E6降解时，端粒酶水平升高，从而使抑制细胞生长的主要机制失活。另外，当E6与细胞转录因子E2F1 / DP1相互作用时，它可以作为转录辅因子，特别是转录激活因子。 。
E6还可以结合PDZ结构域，PDZ结构域是在信号蛋白中经常发现的短序列。 E6的结构基序可以与DLG（大盘）和hDLG（大果蝇）肿瘤抑制基因上的PDZ结构域相互作用，在这些位置上的结合会导致DLG蛋白转化并破坏其抑制功能。 E6蛋白还与MAGUK（膜相关鸟苷酸激酶家族）蛋白相互作用。这些蛋白，包括MAGI-1，MAGI-2和MAGI-3通常是结构蛋白，可以帮助信号传导。更重要的是，它们被认为与DLG的抑制活性有关。当E6与MAGI蛋白上的PDZ域复合时，它会扭曲其形状，从而阻碍其功能。总体而言，E6蛋白以某种方式阻止正常的蛋白活性，从而使细胞能够以癌症的特征增加的速率生长和繁殖。
由于在HPV诱导的癌症中维持恶性表型严格需要E6的表达，因此它是旨在根除已确立的子宫颈癌肿瘤的治疗性HPV疫苗的诱人靶标。
E7
在大多数乳头瘤病毒类型中，E7蛋白的主要功能是使肿瘤抑制蛋白pRb家族的成员失活。 E7与E6一起可防止细胞死亡（细胞凋亡）并促进细胞周期进程，从而引发细胞复制病毒DNA。 E7还通过激活细胞端粒酶参与感染细胞的永生化。像E6一样，E7也引起了广泛的研究兴趣，并被认为对受感染的细胞具有多种其他作用。与E6一样，E7的持续表达对于源自HPV诱导的肿瘤的癌细胞系（例如HeLa）的存活是必需的。
E1
E1蛋白是在病毒基因组的长控制区域中编码与病毒复制起点结合的蛋白质。 E1使用ATP发挥解旋酶活性，迫使DNA链分开，从而为病毒基因组做好准备，以供细胞DNA复制因子复制。
E2
E2蛋白充当主要位于长控制区的病毒启动子的主要转录调节子。该蛋白质具有通过相对非结构化的铰链区连接到特征明确的DNA结合结构域的反式激活结构域。 E2促进E1与病毒复制起点的结合。 E2还利用一种称为Bromodomain-4（Brd4）的细胞蛋白将病毒基因组束缚在细胞染色体上。与细胞核基质的系链可确保细胞分裂后，病毒基因组忠实分布到每个子细胞。认为E2在潜在HPV感染的基底层角质形成细胞中充当癌基因E6和E7的表达的负调节剂。使E2表达失活的遗传变化，例如将病毒DNA整合到宿主细胞染色体中，往往会增加E6和E7癌基因的表达，从而导致细胞转化，并可能导致进一步的基因不稳定。
E4
尽管E4蛋白在病毒感染的早期阶段以低水平表达，但E4的表达在病毒感染的晚期阶段显着增加。换句话说，其“E”称谓可能是用词不当。对于HPV-1，E4最多可占疣表面总蛋白的30％。据信许多乳头瘤病毒类型的E4蛋白可通过破坏角质形成细胞细胞骨架的中间细丝来促进病毒体释放到环境中。无法表达E4的病毒突变体不支持病毒DNA的高水平复制，但目前尚不清楚E4如何促进DNA复制。 E4也已显示参与细胞周期G2期的阻滞细胞。
E5
E5是很小的疏水蛋白，会破坏被感染细胞中许多膜蛋白的功能。某些动物乳头瘤病毒类型（主要是牛乳头瘤病毒1）的E5蛋白主要通过激活血小板衍生的生长因子受体的细胞生长促进信号来起癌基因的作用。然而，与癌症相关的人乳头瘤病毒的E5蛋白似乎激活了配体结合后由表皮生长因子引发的信号级联。 HPV-16 E5和HPV-2 E5还显示出下调主要组织相容性复合I类蛋白的表面表达，这可能阻止感染的细胞被杀伤性T细胞清除。
L1
L1自发自组装成五聚体的衣壳。纯化的衣壳可以继续形成衣壳，通过相邻L1分子之间的二硫键使衣壳稳定。体外组装的L1衣壳是针对几种HPV类型的预防性疫苗的基础。与其他乳头瘤病毒基因相比，L1的大多数部分的氨基酸序列在类型之间都非常保守。但是，即使对于特定乳头瘤病毒物种的不同成员，L1的表面环也可能存在很大差异。这可能反映了规避先前乳头瘤病毒感染引起的中和抗体反应的机制。
L2
L2在乳头瘤病毒病毒体中以氧化状态存在，两个保守的半胱氨酸残基形成分子内二硫键。除了与L1协同将病毒DNA包装到病毒体中外，L2还显示与多种细胞蛋白相互作用在传染性进入过程中。病毒体与细胞的初始结合后，L2必须被细胞蛋白酶弗林蛋白酶切割。病毒体可能通过网格蛋白介导的过程被内在化为内体，在内体中，酸性条件导致膜-膜暴露。细胞蛋白β-肌动蛋白和syntaxin-18也可能参与L2介导的进入事件。内体逃逸后，L2和病毒基因组被导入细胞核，并进入一个称为ND-10体的亚核域，该域富含转录因子。L2的小部分在不同类型的乳头瘤病毒之间具有良好的保守性，针对这些保守域的实验性疫苗可针对多种HPV类型提供保护。
